Abstract Elderly patients with cardiovascular diseases account for a large proportion of Corona virus Disease 2019(COVID-19)related deaths. COVID-19, as a new coronavirus, mainly targets the patient’s lung triggering a cascade of innate and adaptive immune responses in the host. The principal causes of death among COVID-19 patients, especially elderly subjects with cardiovascular diseases, are acute respiratory distress syndrome(ARDS), multiple organ dysfunction syndrome (MODS), and microvascular thrombosis. All prompted by an excessive uncontrolled systemic inflammatory response. Immunosenescence, characterized by systemic and chronic inflammation as well as innate/adaptive immune imbalance, presents both in the elderly and cardiovascular patients. COVID-19 infection further aggravates the existing inflammatory process and lymphocyte depletion leading to uncontrollable systemic inflammatory responses, which is the primary cause of death. Based on the higher mortality, this study attempts to elucidate the pathophysiological mechanisms of COVID-19 in elderly subjects with cardiovascular diseases as well as the cause of the high mortality result from COVID-19.

Abstract The ability to track the levels of specific molecules, such as drugs, metabolites, and biomarkers, in the living body, in real time and for long durations would improve our understanding of health and our ability to diagnose, treat and monitor disease. To this end, we are developing electrochemical aptamer-based (E-AB) biosensors, a general platform supporting high-frequency, real-time molecular measurements in the living body. Here we report that the addition of an agarose hydrogel protective layer to E-AB sensors significantly improves their baseline stability when deployed in the complex, highly time-varying environments found in vivo. The improved stability is sufficient that these hydrogel-protected sensors achieved good baseline stability when deployed in situ in the veins, muscles, bladder, or tumors of living rats without the use of the drift correction approaches traditionally required in such placements. Finally, this improved stability is achieved without any significant, associated “costs” in terms of detection limits, response times, or biocompatibility.

Abstract While DNA N 6 -adenine methylation (6mA) is best known in prokaryotes, its presence in eukaryotes has generated great interest recently. Biochemical and genetic evidence supports that AMT1, a MT-A70 family methyltransferase (MTase), is crucial for 6mA deposition in unicellular eukaryotes. Nonetheless, 6mA transmission mechanism remains to be elucidated. Taking advantage of Single Molecule Real-Time Circular Consensus Sequencing (SMRT CCS), here we provide definitive evidence for semi-conservative transmission of 6mA, showcased in the unicellular eukaryote Tetrahymena thermophila . In wildtype (WT) cells, 6mA occurs at the self-complementary ApT dinucleotide, mostly in full methylation (full-6mApT); hemi-methylation (hemi-6mApT) is transiently present on the parental strand of newly replicated DNA. In Δ AMT1 cells, 6mA predominantly occurs as hemi-6mApT. Hemi-to-full conversion in WT cells is fast, robust, and likely processive, while de novo 6mA deposition in Δ AMT1 cells is slow and sporadic. In Tetrahymena , regularly spaced 6mA clusters coincide with linker DNA of the canonical nucleosome arrays in the gene body. Importantly, in vitro methylation of human chromatin by reconstituted AMT1 complex recapitulates preferential targeting of hemi-6mApT sites in linker DNA, supporting AMT1’s intrinsic and autonomous role in maintenance methylation. We conclude that 6mA is transmitted by a semi-conservative mechanism: full-6mApT is split by DNA replication into hemi-6mApT, which is restored to full-6mApT by AMT1-dependent maintenance methylation. Our study dissects AMT1-dependent maintenance methylation and AMT1-independent de novo methylation, reveals a molecular pathway for 6mA transmission with striking similarity to 5-methyl cytosine (5mC) transmission at the CpG dinucleotide, and establishes 6mA as a bona fide eukaryotic epigenetic mark.

Abstract Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a common and heterogeneous respiratory disease, the molecular complexity of which remains poorly understood, as well as the mechanisms by which aging and smoking facilitate COPD development. Here, using single-cell RNA sequencing of more than 65,000 cells from COPD and age-stratified control lung tissues of donors with different smoking histories, we identified monocytes, club cells, and macrophages as the most disease-, aging-, and smoking-relevant cell types, respectively. Notably, we found these highly cell-type specific changes under different conditions converged on cellular dysfunction of the alveolar epithelium. Deeper investigations revealed that the alveolar epithelium damage could be attributed to the abnormally activated monocytes in COPD lungs, which could be amplified via exhaustion of club cell stemness as ages. Moreover, the enhanced intercellular communications in COPD lungs as well as the pro-inflammatory interaction between macrophages and endothelial cells indued by smoking could facilitate signaling between monocyte and the alveolar epithelium. Our findings complement the existing model of COPD pathogenesis by emphasizing the contributions of the previously less appreciated cell types, highlighting their candidacy as potential therapeutic targets for COPD.

Abstract The transition metal iron plays a crucial role in living cells. However, high level of iron is potentially toxic through the production of reactive oxygen species (ROS), serving as a deterrent to the commensal fungus Candida albicans for colonization in the iron-rich gastrointestinal (GI) tract. We observe that the mutant lacking an iron-responsive transcription factor Hap43 is hyper-fit for colonization in murine gut. We demonstrate that high iron specifically triggers multiple post-translational modifications (PTMs) and proteasomal degradation of Hap43, a vital process guaranteeing the precision of intestinal ROS detoxification. Reduced levels of Hap43 lead to de-repression of antioxidant genes and therefore alleviate the deleterious ROS derived from iron metabolism. Our data reveal that Hap43 functions as a negative regulator for oxidative stress-adaptation of C. albicans to gut colonization and thereby provide a new insight into understanding the interplay between iron homeostasis and fungal commensalism. Importance Iron homeostasis is critical for creatures. Candida albicans is one of the major commensals in the GI tract where is iron-replete environment. Transcriptional factor Hap43 was believed to repress iron utilizations genes in iron-depleted conditions for decades. However, the mystery in iron-replete conditions of Hap43 has never been uncovered. We discovered that reduced levels of Hap43 via phosphorylation-dependent nuclear export, followed by proteosome-mediated protein degradation, leads to de-repression of downstream antioxidant genes and promote its colonization in GI tract. We propose that C. albicans has a strict detoxification process to ensure its survival, which has important implications for understanding how the fungi survives in the mammalian host.

ABSTRACT Infectious bronchitis virus (IBV) has restricted cell tropism. Apart from the Beaudette strain, other IBVs cannot infect mammalian cell lines. The limited cell tropism of other IBVs has hindered the development of IBV vaccines and research on mechanisms of IBV infection. In a previous study, a new Vero-cell-adapted strain HV80 was obtained via serial chicken embryo and cell passaging of strain H120 and 17 mutations leading to amino acid substitutions occurred in replication gene 1a, S gene and E gene. This study, we constructed recombinants that expressed chimeric S glycoprotein, S1 or S2 subunit of strain H120, and demonstrated that mutations in S2 subunit were related to the Vero cell adaption of strain HV80. With a genome backbone of strain HV80 or H120, and expression of chimeric S2′ cleavage site of H120 or HV80, two recombinants demonstrated that the RRRR 690 /S motif at the S2′ cleavage site played a key role in Vero cell adaption of strain HV80. Another six amino acid substitutions in the S2 subunit of the recombinants showed that F692V enhanced the capability of invasion of HV80 strain, and Q855H induced the formation of syncytia. A transient transfection assay demonstrated different mechanisms for virus-to-cell fusion and cell-to-cell fusion induced by S glycoprotein. The PRRR 690 /S motif at the S2′ cleavage site could be activated by proteases in the process of cell-to-cell fusion, while H855Q substitution did not affect the cell invasion of HV80, but hindered the cell-to-cell fusion by blocking activation of the S2′ cleavage site. IMPORTANCE Infectious bronchitis is an acute respiratory disease that has caused large economic losses to the poultry industry. As a member of the gamma-coronaviruses, the restricted cell tropism of infectious bronchitis virus (IBV) limits the development of cellular vaccines and research on infection mechanisms. As a strain that can replicate effectively in mammalian cell lines, studies of HV80’s adaptive mechanisms point a way for engineering other IBVs for adaptation in mammalian cell lines. In our study, different recombinants were constructed by reverse genetic techniques, and demonstrated the different mechanism between virus-to-cell and cell-to-cell fusion induced by HV80 S glycoprotein. The acquisition of a highly efficient S2′ cleavage site enabled the virus to invade Vero cells. The Q855H substitution played a key role in cell-to-cell fusion, and provided a more efficient model of infection in Vero cells. Our study provides new theoretical insights into mechanisms of IBV adaptation in mammalian cell lines.

SCARF1 (Scavenger receptor class F member 1, SREC-1 or SR-F1) is a type I transmembrane protein that recognizes multiple endogenous and exogenous ligands such as modified low-density lipoproteins (LDL) and is important for maintaining homeostasis and immunity. But the structural information and the mechanisms of ligand recognition of SCARF1 are largely unavailable. Here we solve the crystal structures of the N-terminal fragments of human SCARF1, which show that SCARF1 forms homodimers and its epidermal growth factor (EGF)-like domains adopt a long-curved conformation. Then we examine the interactions of SCARF1 with lipoproteins and are able to identify a region on SCARF1 for recognizing modified LDLs. The mutagenesis data show that the positively charged residues in the region are crucial for the interaction of SCARF1 with modified LDLs, which is confirmed by making chimeric molecules of SCARF1 and SCARF2. In addition, teichoic acids, a cell wall polymer expressed on the surface of gram-positive bacteria, are able to inhibit the interactions of modified LDLs with SCARF1, suggesting the ligand binding sites of SCARF1 might be shared for some of its scavenging targets. Overall, these results provide mechanistic insights into SCARF1 and its interactions with the ligands, which are important for understanding its physiological roles in homeostasis and the related diseases.

Aerobic glycolysis, termed the Warburg Effect, supports cell proliferation, and glucose deprivation directly elicits necrosis or shifts stimuli-induced apoptosis to necrosis. However, how glucose metabolism regulates cell survival or death choice remains largely unclear. Here we use our recently developed method to monitor in real-time cellular apoptosis and necrosis, and uncover a metabolic homeostasis linked to cell death control. We show that glucose metabolism is the major source to maintain both intracellular and extracellular proton homeostasis. Glucose deficiency leads to lack of proton provision, which provokes a compensatory lysosomal proton efflux and resultant increased lysosomal pH. This lysosomal alkalinization can trigger necrosis. Furthermore, artificial proton supplement enables cells to survive glucose deprivation. Taken together, our results reveal a critical role of glucose metabolism in maintaining cellular microenvironment, and provide a better understanding of the essential requirement of aerobic glycolysis for proliferating cells whose active anabolism consumes a great many protons.

Metabolic reprogramming extensively occurs in proliferating cancer cells. This phenomenon occurs highly heterogeneously, but its origin has remained unclear. Here we use a physicochemical concept of free electron potential (FEP) and its equation of state to profile metabolites. We demonstrate that FEP change between substrates and products exactly reflects electrons dissipated in a metabolic transformation. Based on the law of conservation of electron in chemical reactions, a function of FEP change for central metabolism in proliferating cells are further derived, and it can accurately predict metabolic behaviors under hypoxia by maximizing the cellular FEP change to consume electrons. Therefore, enabling electron transfer dictates metabolic reprogramming in hypoxic cells, which underlies the major findings in cancer metabolism and is supported by our experiments. Importantly, our model established on FEP helps to reveal a combination of promising targets to inhibit tumor growth under hypoxia by blocking electron consumption, and could also guide future studies on cancer metabolism under hypoxia.

Abstract Vestimentifera (Polychaeta, Siboglinidae) is a taxon of deep-sea worm-like animals living in the deep-sea hydrothermal vent and cold seep areas. The morphology and lifespan of Ridgeia piscesae, which is the only vestimentiferan tubeworm species found in the hydrothermal vents on the Juan de Fuca Ridge, vary greatly according to the endemic environments. Recent analyses have revealed the genomic basis of adaptation in three vent- and seep-dwelling vestimentiferan tubeworms. However, the evolutionary history and mechanism of adaptation in R. piscesae , a unique species in the family Siboglinidae , is remained to be investigated. Here we report a high-quality genome of R. piscesae collected at Cathedral vent of the Juan de Fuca Ridge. Comparative genomic analysis revealed that that the high growth rates of vent-dwelling tubeworms might derive from small genome size. The small genome sizes of these tubeworms are attributed to the repeat content but not the number of genes and intron sizes. Additionally, four genes involved in cell proliferation were subject to positive selection in the genome of R. piscesae , suggesting that, besides apoptosis, cell proliferation is important for regulating growth rate in this species.